Niedrogim rozwiązaniem do przeliczania podstawowych parametrów prądu elektrycznego są dzielniki napięcia. Takie urządzenie można łatwo wykonać samodzielnie, ale aby to zrobić, należy poznać jego przeznaczenie, przypadki zastosowania, zasadę działania i przykłady obliczeń.
Spis treści
Przeznaczenie i użytkowanie
Transformator służy do przekształcania napięć przemiennych w taki sposób, aby można było przechowywać wystarczająco dużą wartość prądu. Jeśli do obwodu mają być dołączone obciążenia o małym poborze prądu (do setek mA), przetwornik napięcia (U) nie jest odpowiedni.
W takich przypadkach można zastosować zwykły dzielnik napięcia (DN), który kosztuje znacznie mniej. Po uzyskaniu żądanej wartości U jest ona prostowana i energia jest dostarczana do odbiorcy. W razie potrzeby należy zastosować stopień wyjściowy mocy, aby zwiększyć natężenie prądu (I). Istnieją również dzielniki o stałej wartości U, ale te modele są rzadziej stosowane.
DN są często wykorzystywane do ładowania różnych urządzeń, w których konieczne jest uzyskanie niższych wartości U i prądów dla różnych typów akumulatorów z napięcia 220 V. Ponadto rozsądne jest wykorzystywanie urządzeń współdzielenia U do tworzenia elektrycznych przyrządów pomiarowych, technologii komputerowych, a także impulsów laboratoryjnych i zwykłych zasilaczy.
Zasada działania
Dzielnik napięcia (DN) to urządzenie, w którym wyjście U i wejście U są ze sobą powiązane za pomocą współczynnika przeniesienia. Współczynnik przenoszenia to stosunek wartości U na wyjściu i wejściu dzielnika. Obwód dzielnika napięcia jest prosty i składa się z łańcucha dwóch odbiorników połączonych szeregowo - elementów radiowych (rezystorów, kondensatorów lub cewek). Różnią się one charakterystyką produkcji.
Główne wielkości prądu zmiennego to napięcie, natężenie, rezystancja, indukcyjność (L) i pojemność (C). Wzory do obliczania podstawowych wartości energii elektrycznej (U, I, R, C, L), gdy odbiorniki są połączone szeregowo:
- Wartości oporu sumują się;
- Napięcia są dodawane;
- Prąd zostanie obliczony zgodnie z prawem Ohma dla danego odcinka obwodu: I = U / R;
- Dodawane są indukcyjności;
- Pojemność całego łańcucha kondensatorów: C = (C1 * C2 * ... * Cn) / (C1 + C2 + ... + Cn).
Zasada działania szeregowo połączonych rezystorów jest wykorzystywana do wykonania prostego rezystora DN. Układ można podzielić umownie na dwa ramiona. Pierwsze ramię jest górne i znajduje się między wejściem a punktem zerowym DN, natomiast drugie ramię jest dolne, z którego pobierane jest wyjście U.
Suma U na tych ramionach jest równa wartości wypadkowej przychodzącego U. DN mogą być typu liniowego lub nieliniowego. Urządzenia liniowe to takie, których wartość wyjściowa U zmienia się liniowo w zależności od wartości wejściowej. Służą one do ustawiania właściwego napięcia U w różnych częściach obwodów. Nieliniowe są stosowane w potencjometrach funkcyjnych. Ich rezystancja może być aktywna, reaktywna i pojemnościowa.
Ponadto DN może mieć również charakter pojemnościowy. Wykorzystuje on łańcuch dwóch kondensatorów połączonych szeregowo.
Jego zasada działania opiera się na składowej biernej rezystancji kondensatorów w obwodzie o składowej zmiennej. Kondensator ma nie tylko charakterystykę pojemnościową, ale także rezystancję Xc. Opór ten nazywany jest pojemnością, zależy od częstotliwości prądu i jest określany wzorem Xc = (1 / C) * w = w / C, gdzie w to częstotliwość cykliczna, C to wartość kondensatora.
Częstotliwość cykliczną oblicza się za pomocą wzoru: w = 2 * PI * f, gdzie PI = 3,1416, a f jest częstotliwością prądu zmiennego.
Typ kondensatorowy (lub pojemnościowy) umożliwia uzyskanie stosunkowo większych prądów niż w przypadku urządzeń rezystancyjnych. Jest ona szeroko stosowana w obwodach wysokiego napięcia, gdzie wartość współczynnika U musi być kilkakrotnie zmniejszona. Ma również tę istotną zaletę, że się nie przegrzewa.
Typ indukcyjny jest oparty na zasadzie indukcji elektromagnetycznej w obwodach prądu zmiennego. Prąd przepływa przez cewkę, której opór zależy od L i jest nazywany indukcyjnym. Jego wartość jest wprost proporcjonalna do częstotliwości prądu zmiennego: Xl = w * L, gdzie L jest wartością indukcyjności obwodu lub cewki.
Indukcyjny czujnik DN działa tylko w obwodach z prądem o zmiennej składowej i ma oporność indukcyjną (Xl).
Zalety i wady
Główne wady rezystancyjnych czujników DN to brak możliwości stosowania ich w obwodach o wysokiej częstotliwości, znaczny spadek napięcia na rezystorach oraz mniejsza moc. W niektórych obwodach moc rezystorów musi być dopasowana, ponieważ występuje znaczne nagrzewanie.
W większości obwodów prądu przemiennego stosuje się aktywne obciążenie (rezystancyjne) DN, ale z kondensatorami kompensacyjnymi podłączonymi równolegle do każdego z rezystorów. Takie podejście zmniejsza nagrzewanie, ale nie usuwa głównej wady, jaką jest utrata mocy. Zaletą jest możliwość stosowania w obwodach prądu stałego.
Elementy aktywne (rezystory) muszą zostać zastąpione elementami pojemnościowymi, aby wyeliminować straty mocy w rezystancyjnym DN. Element pojemnościowy ma kilka zalet w porównaniu z rezystancyjnym DN:
- Jest on stosowany w obwodach prądu przemiennego;
- Nie dochodzi do przegrzania;
- Straty mocy są mniejsze, ponieważ kondensator nie ma mocy, w przeciwieństwie do rezystora;
- Może być stosowany w zasilaczach wysokiego napięcia;
- Wysoka wydajność;
- Niższa strata własna.
Wadą tego rozwiązania jest to, że nie można go stosować w obwodach o stałym napięciu U. Dzieje się tak dlatego, że kondensator w obwodach prądu stałego nie ma pojemności, a jedynie działa jako kondensator.
Indukcyjny DN w obwodach prądu przemiennego również ma wiele zalet, ale może być również stosowany w obwodach o stałym napięciu U. Cewka indukcyjna ma rezystancję, ale ze względu na indukcyjność ta opcja nie jest odpowiednia, ponieważ występuje znaczny spadek napięcia U. Główne zalety w porównaniu z rezystancyjnym typem DN:
- Zastosowanie w sieciach o zmiennym U;
- Niewielkie nagrzewanie elementów;
- Mniejsze straty mocy w obwodach prądu przemiennego;
- Porównywalnie wysoka sprawność (wyższa niż w przypadku pojemnościowych);
- Zastosowanie w precyzyjnych urządzeniach pomiarowych;
- Mniejsza niedokładność;
- Obciążenie podłączone do wyjścia dzielnika nie ma wpływu na współczynnik podziału;
- Straty prądu są mniejsze niż w przypadku dzielników pojemnościowych.
Wady są następujące:
- Zastosowanie prądu stałego U w sieciach zasilających powoduje znaczne straty prądu. Ponadto napięcie drastycznie spada z powodu zużycia energii elektrycznej na indukcyjność.
- Charakterystyka częstotliwościowa sygnału wyjściowego (bez użycia mostka prostowniczego i filtra) jest różna.
- Nie nadaje się do obwodów wysokiego napięcia prądu przemiennego.
Obliczanie dzielnika napięcia za pomocą rezystorów, kondensatorów i cewek indukcyjnych
Po wybraniu typu dzielnika napięcia należy skorzystać z wzorów do obliczeń. Nieprawidłowe obliczenia mogą doprowadzić do spalenia samego urządzenia, stopnia wyjściowego wzmacniającego prąd oraz odbiornika. Konsekwencje błędnych obliczeń mogą być gorsze niż uszkodzenie elementów radiowych: pożar w wyniku zwarcia, porażenie prądem.
Podczas obliczania i montażu obwodu należy bezwzględnie przestrzegać przepisów bezpieczeństwa, przed włączeniem sprawdzić poprawność montażu urządzenia i nie testować go w wilgotnym pomieszczeniu (zwiększa się możliwość porażenia prądem). Podstawowym prawem stosowanym w obliczeniach jest prawo Ohma dla danego odcinka obwodu. Jego sformułowanie jest następujące: natężenie prądu jest wprost proporcjonalne do napięcia w danym odcinku obwodu i odwrotnie proporcjonalne do oporu tego odcinka. Zapis w postaci wzoru jest następujący: I = U / R.
Algorytm obliczania dzielnika napięcia z rezystorami:
- Napięcie całkowite: Upit = U1 + U2, gdzie U1 i U2 są wartościami U na każdym z oporników.
- Napięcia na opornikach: U1 = I * R1 i U2 = I * R2.
- Upit = I * (R1 + R2).
- Prąd bez obciążenia: I = U / (R1 + R2).
- Spadek U każdego opornika: U1 = (R1 / (R1 + R2)) * U pi i U2 = (R2 / (R1 + R2)) * U pi.
Wartości R1 i R2 muszą być 2 razy mniejsze od rezystancji obciążenia.
Aby obliczyć dzielnik napięcia na kondensatorach, można skorzystać z następujących wzorów: U1 = (C1 / (C1 + C2)) * Upit i U2 = (C2 / (C1 + C2)) * Upit.
Podobne wzory do obliczania DN przy indukcyjnościach: U1 = (L1 / (L1 + L2)) * Upit i U2 = (L2 / (L1 + L2)) * Upit.
W większości przypadków stosowane są dzielniki z mostkiem diodowym i stabilizatorem. Stabilitron to urządzenie półprzewodnikowe, które działa jako stabilizator U. Diody powinny być dobierane z odwrotnym U powyżej dopuszczalnego U w tym obwodzie. Wybierz stabilizator zgodnie z książką referencyjną dla wymaganej wartości napięcia stabilizującego. Ponadto przed nim w obwodzie powinien znajdować się rezystor, ponieważ bez niego urządzenie półprzewodnikowe ulegnie spaleniu.
Powiązane artykuły:
